國內外輸電網可靠性性能管理對比分析 _知識百科

隨著電力系統的變革，電網規模、電網結構、設施種類以及管理需求發生了變化，現有的輸電網可靠性性能管理在管理手段、管理范圍和領域、管理技術等方面需要進行改進。文章介紹了中國以及北美地區輸電網可靠性性能管理的方式體系并進行對比分析，同時指出中國在輸電網可靠性性能管理方面所存在的問題以及在電力改革大環境下的未來發展方向，可為中國輸電網可靠性性能管理提供參考。
0引言
輸電網是電力系統的重要組成部分，其主要任務是完成電力的輸送，同時要滿足安全、可靠性的要求。因此，衡量輸電系統性能的重要標志就是在考慮設備隨機故障的條件下系統完成輸電功能的能力。該能力不僅體現了系統設計、運行和維護水平，還與設備本身質量有密切關系。對于中國這樣一個需要大量能源遠距離傳輸的電網，其輸電網性能評價顯得尤為重要。
世界范圍內輸電網性能評價都是起步于輸變電設施可靠性管理。北美可靠性組織（NERC）把輸電網可靠性性能分為：輸變電設施可靠性性能和輸電網系統可靠性性能兩部分，輸電網系統可靠性性能進一步分解為輸送能力和輸電服務能力。我國對輸電網可靠性性能管理還處于設施可靠性管理階段， 2010年國家電網公司把輸電能力指標整合到國家電網的管理中，并改進了相應的數據采集和評價系統。隨著國內新能源發電的快速發展以及電力改革步伐的加快，對輸電網可靠性提出了更高的要求，監管部門和電力企業對可靠性的關注和需求都將發生變化，如何在新的形勢下開展輸電網可靠性性能管理成為一個重要的課題。
國內學者借鑒國外的研究成果開展了相關研究，文獻［1］參考北美的輸電能力評價指標，結合國內電網特征，改進性地提出了國家電網公司基于回路的輸電系統可靠性評價指標體系和計算方法。文獻［2］參考北美輸電系統輸電服務能力評價體系，提出了適應于中國發展現狀的連接點評價指標。文獻［3］介紹了北美以及英國所使用的輸電系統可靠性性能評價指標，并通過對比得到我國與英國、北美評價指標方面的差異。上述研究都是在北美評價體系基礎上建立的國內評價系統，雖稍有改進但未跳出總體框架，而且對國內現有管理體系的問題和需求分析不足。
本文在對國內外輸電網可靠性性能管理全面調研和分析的基礎上，對比了國內外管理體系的差異，提出了國內目前存在的問題，分析了電力改革形勢下國內對輸電網可靠性性能管理的需求，并論證了未來管理中所需的關鍵技術。
1國內外輸電網可靠性性能管理現狀及對比
1.1?國內輸電網可靠性性能管理現狀及成效分析
1.1.1?管理現狀
中國對輸電網可靠性性能管理還處于設施可靠性管理階段。
1）標準體系。 2003年電力可靠性管理中心組織制定的《輸變電設施可靠性評價規程》正式簽發實施，并于2012年進行修訂和完善，用于指導各電網公司輸變電設施可靠性工作的開展。 2010年，國家電網公司發布了《輸電系統可靠性評價實施（試行稿）》，提出了輸電系統回路的概念，在此后的可靠性信息管理系統中， 13類輸變電設施全部被關聯到三大回路中。
2）數據采集及評價系統。評價規程出臺后，電力可靠性管理中心建立了一系列以輸變電設施為對象的可靠性信息管理系統，在全國范圍內進行推廣應用。 2009年，國家電網公司在已有推廣系統的基礎上建立生產管理系統（PMS），實現了設施及生產運行的全過程管理。
現階段，國家電網公司所使用的信息系統結合了資產全壽命周期管理研究的課題成果；通過科學的歷史數據分析挖掘，準確、及時的當前狀態評估，實現了前瞻性的風險評估。信息系統關聯關系見圖1 。

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圖1國家電網公司信息系統關聯系統
3）評價體系。中國建立了較全面的設施可靠性指標評價體系，該體系主要分為時間類以及次數類兩大類。指標體系是對輸變電設施是否可用的量化描述，是規劃設計、設施制造、安裝調試、生產運行、檢修維護、生產管理等各個環節綜合水平的度量。
1.1.2?工作成效
中國的可靠性管理歷經30多年的發展，取得了顯著的成效，主要表現在以下幾個方面：
1）促進了設施制造質量的提高。
通過對全國可靠性統計數據分析，因產品質量不良造成的非計劃停運事件總數呈逐年下降趨勢。
2）促進了設施運維管理精益化水平的提高。
為了減少檢修帶來的停運，各電網公司紛紛嘗試開展狀態檢修，使得110（66）kV及以上輸變電設施大修次數和工作量、維修試驗次數和工作量逐年減少，輸變電設施的計劃停運率逐年下降。
3）輸變電可靠性指標管理手段和管控水平有效提高。
通過對可靠性指標的管控，促進了電網企業改進管理手段，如科學安排檢修和維護，減少重復停運率；排查輸變配電設施安全隱患及缺陷，降低故障次數；開展規劃、采購、檢修、調度多部門協同工作以提高系統可靠性。
1.2?國外輸電網可靠性性能管理體系與發展趨勢
現階段，各國針對輸電網可靠性性能建立的管理體系具有一定共性，本文選擇開展輸變電可靠性性能管理較早、管理體系較為完善并且管理成效顯著的北美地區作為分析對比對象。
1.2.1?管理機構及評價體系
1）管理體系。 NERC對電壓等級大于等于200kV的4類輸電設施進行管理。作為北美地區輸變電系統性能管理的核心機構， NERC的主要職責包括：制定發輸電系統可靠性標準，并監督相關企業強制執行；負責發輸電系統的可靠性評估工作；對發輸電系統進行監測，組織典型事故調查；負責行業內的培訓和運行人員認證等工作。管理體系見圖2 。

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圖2北美可靠性管理體系
2）數據采集流程。北美地區將數據收集分為兩個階段：第一階段僅收集自動報告的停電故障數據，包括持續（永久性）停電故障和瞬間停電故障（不到1min），表征設施在無人為調控因素干擾的狀態下的運行可靠性情況；第二階段收集非自動報告的停電故障數據，包括計劃停運和運行停運，表征人為調控因素對設施可靠性的影響，一定程度體現出相關輸變電調控人員的工作質量。兩階段數據收集、分析和報告流程見圖3 。

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圖3北美數據采集、分析、報告流程
各環節負責部門的具體職責：TO負責按上級要求收集基礎數據；RC負責數據檢查，事故編號并評估同一結構故障引發的多條線路停電事故；NERC負責對涉及多個區域電力可靠性管理中心的停電事故進行事故編號，并補充缺省數據，計算可靠性指標，制定一份年度報告。
3）評價體系。北美地區現階段所使用的設施可靠性評價指標主要體現了設施發生瞬時停運和持續停運的頻率、設施故障時間的數據分布、故障設施占比以及同桿并架線路運行狀況。 NERC根據這些指標的計算結果每年發布一次公開報告顯示每個地區以及全國水平，提供可用于提高可靠性的數據，并向每個輸電公司提供相同規格的設施情況內部報告。
1.2.2?發展趨勢
現階段，北美的輸電網可靠性性能管理主要是以州（省）為主體的可靠性指標評價，存在一定不足。經分析，北美地區的輸變電系統性能管理體系有如下發展趨勢。
1）分散管理向集中管理發展。
大容量、遠距離傳輸已成為當代電力系統的主要特征，系統日益龐大、復雜，傳統的以州（省）為主體的分散管理模式已難以適應當前社會對資源配置和電能交換的要求。
2）行政化向市場化發展。
與傳統的行政手段相比，市場化管理較少干涉企業的內部事務，完全以結果為導向。通過市場來引導企業決策，可兼顧供電可靠性和經濟性。
3）單一指標管理向指標、統計方法和統計流程并重的方向發展。
輸變電可靠性指標評價體系及其統計方法趨同化、標準化，并側重于從輸電系統的角度對輸變電設施和輸電網性能進行總體評價。
4）輸電網可靠性評價向電力系統可靠性評價發展。
可靠性評價趨向于將發電、輸電以及配電各自獨立的評價聯合，形成包含整個電力系統各部分的整體評價。
5）可靠性評價向可靠性性能風險評價發展。
2009年開始NERC逐步建立起以發、輸電系統可靠性為基礎，同時涵蓋需求側信息的數據采集和統計系統。并建立了基于事件驅動、基于運行狀態驅動和基于標準驅動的電力系統風險評估體系，從每天、月、年、多年多個時間尺度對運行的電力系統開展風險評估，并根據評估結果發現系統薄弱點，提出未來運行和規劃的重點關注問題。
1.3?國內外對比分析
由于中國在行業標準方面只包含設施可靠性管理，因此本文主要將國家電網公司與北美的管理體系進行對比分析，內容主要集中于設施的基本信息記錄、可靠性指標評價以及可靠性管理成效3個方面。
1.3.1?設施狀態分類方法差異
中國與北美所使用的設施狀態分類方法見圖4 。

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圖4國內外輸變電設施狀態分類
北美對不可用狀態的分類以自動和非自動劃分，能夠體現自動化水平的影響。同時自動停電又劃分為瞬時和持續，體現出更加注重停運的后果。中國對可用狀態的劃分，一定程度上可以反映設施利用率。同時對停運狀態的細致分類，更多強調的是停運原因和時間，有助于發現運行管理中的問題。狀態劃分的差異與管理目的有必然的聯系，北美的標準立足于監管，而中國既立足于監管，同時又要服務于企業。
1.3.2?設施可靠性評價指標差異
中國與北美的設施可靠性評價指標都分為時間以及頻率兩大類。 ①針對時間類指標，北美以描述停運時間數據分布的指標為主，中國以不同停運狀態占總運行時間比例的指標為主。 ②針對頻率類指標，北美與中國大部分指標的差異與兩方設施狀態分類的差異相同，同時兩方也各有一些特色指標，如中國建立了反映設施利用率的暴露率指標，北美建立了反映設施之間互相影響的共因停運指標和反映設施本身質量情況的故障元件比例指標。
1.3.3?系統可靠性指標對比
目前，北美輸變電系統可靠性性能評價分為輸電能力和輸電服務能力。而中國國家電網公司目前的評價只局限于輸電能力。北美和中國針對輸電能力的評價都是基于回路的“設施組”可靠性展開的［10］。北美的回路只限于電纜、架空線、直流線路等輸電回路，而中國包括輸電、變電、母線三種回路，相比之下中國統計的更加全面。兩方在輸電回路的狀態劃分也少有差別，類似設施狀態劃分。
1.3.4?設施故障原因分類設置的差異
故障原因分類設置是故障分析的基礎，北美NERC按照故障原因占比劃分了12大類故障原因，包括天氣、雷電、環境因素、污染、外部因素、火災、惡意破壞等共43項，比較簡單實用。中國把故障原因分為責任原因和技術原因，設定的故障原因采用全覆蓋的思路，其中責任原因分為10大類，包括爆炸、指揮不當、錯用材料、封堵不嚴等共93項；技術原因分為8大類，包括斷裂、單相短路、漏油等137項。相比國外來說，中國的停運原因分類相對復雜。
1.3.5?現階段設施可靠性水平對比分析
由于兩方之間存在管理的差異性，因此選擇2010–2014年兩方評價方式相同的線路和變壓器的可用率作為可靠性水平的比較對象。同時基于兩方故障原因的差異，根據運行數據對兩方的實際設施故障原
因進行對比分析。
1）輸變電設施的可用性對比及分析。
對比范圍內兩方的線路和變壓器的可用率變化情況如圖5所示。

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圖5兩方線路和變壓器的可用率
顯然，中國輸變電設施的可用性明顯高于北美地區，交流線路可用率平均高出約1個百分點，變壓器可用率平均高出2.6個的百分點。通過計算設施的計劃停運時間與非計劃停運時間的比值，深入分析兩方輸變電設施的可用性管理水平，見表1、表2 。

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由表1、表2可以看出，北美地區的計劃停運時間與非計劃停運時間的比值水平明顯優于中國， 2011年的變壓器時間比值甚至相差了接近100倍。這說明，北美地區關于輸變電設施計劃檢修方案的管理方式明顯優于中國。
2）輸變電設施故障原因比例對比。
2012–2014年NERC統計的引起輸變電設施故障的各原因的次數表明：天氣因素、誤操作、交流線路和變電站設施故障占了所有故障原因中的55.21% ，同時，存在20.79%的停運事件故障原因不明。在相同統計年限里，中國主要的故障原因為氣候因素、自然災害、外力損壞和產品質量不良， 4類原因造成的非計劃停運事件占停運事件總數的78.75% ，同時中國有6.48%的非計劃停運事件的責任原因不明。
2中國輸電網可靠性性能管理中存在的問題分析
基于以上國內外輸電網可靠性性能管理情況的對比以及中國實際管理工作的調研，總結得到中國在管理方式、數據記錄、數據挖掘以及管理經濟性等方面的問題主要有以下幾個方面。
2.1?管理體系導致監管力度不足
中國輸變電可靠性監管部門功能定位側重于服務電力系統，對電力系統的監管力度較弱。可靠性管理中電力企業完成了數據采集到上報的整個過程，缺失中間環節監管，導致故障原因、故障時間等重要信息的真實性受到質疑，使可靠性管理失去了基本的支撐。
2.2?管理目標與管理職能不對應
可靠性管理可以分為監管和企業兩個大的層面，每個層面形成閉環的管理才能真正提升可靠性。監管層面要提升可靠性、制定全國的可靠性標準必須在掌握負荷、系統運行和可靠性全面狀況的基礎上，而中國目前可靠性監管職能和掌握的信息都過于單一；企業層面要在保證可靠性標準的基礎上，力求經濟運行。因此企業要將可靠性統計、設備維護、檢修、規劃等融入到設備的全壽命周期管理中，而目前更側重統計，服務于監管，卻忽視了企業內部的管理目標。
2.3?故障的技術原因和責任原因設置需要改進
1）輸變電技術原因問題。
根據2010–2014年的統計數據，輸變電設施運行事件中技術原因填寫為“其他”的比例分別為51.5%、35.7%、34.1%、36.8%和49.2% ，填寫比例極高，影響了故障原因的深入分析。
2）輸變電責任原因問題。
結合2011–2014年全國輸變電設施的歷史運行數據，統計分析得到每年主要責任原因占比見圖6 。

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圖62010-2014年非計劃停運中各責任原因分布
根據圖6可知，中國輸變電設施發生非計劃停運部分原因占比相對較低，尤其是調度不當、領導指揮不當以及燃料影響在統計期間沒有出現歷史記錄。
以上分析一方面說明中國在責任原因和技術原因的設置選項上存在不合理因素，另一方面也說明可靠性錄入人員在運行數據記錄時存在填寫不認真的情況。
2.4?數據準確性、規范性和完整性有待提高
目前國內各單位對于架空線路、變壓器、斷路器和隔離開關4類納入對標統計的設施可靠性數據填報比較重視，但對其他設施的數據關注度不足。同時，國內也存在數據錄入人員對規程理解不透徹、系統使用不熟練以及刻意改動數據的現象。以上原因大幅影響了輸電網可靠性性能數據的準確性、規范性和完整性。
2.5?可靠性指標不能反映可靠性的差異
可靠性指標統計中沒有考慮特殊地形和特殊環境對可靠性數據的影響，導致指標的應用受限。例如臺風多發地區可靠性指標受臺風影響較大，而內陸地區無臺風影響，將臺風對可靠性的影響納入指標的計算，不能真正反映不同地區可靠性管理水平的差異。
2.6?數據深度分析不足
雖然中國已經積累了大量輸電網可靠性運行數據，但由于深度分析不足，數據不能為部分實際工作提供支撐。輸電網可靠性數據對提高電力設施制造質量、工程建設質量以及改進電網企業可靠性水平的作用沒有完全發揮出來。
2.7?可靠性與經濟性的協調應用還遠未實現
在電網企業輸變電設施管理的各階段，可通過提高設施制造質量和安裝質量、嚴格設施選型及檢修維護、生產運行等手段來提高輸變電設施可靠性，但無法實現基于可靠性的成本精細核算。電網企業更多地關注輸變電設施的可靠性，對經濟性關注度不足，導致電網企業在資產管理方面遠沒有實現可靠性與經濟性的平衡。
2.8?輸變電可靠性管理信息系統有待完善
目前，電力可靠性管理中心與電力企業同用一套系統，該系統主要滿足電力可靠性管理中心指標統計的需求，由于該系統基礎數據不夠完備并且對數據的挖掘度不足，導致對企業內部可靠性數據以及經濟性需求的滿足度較差。
3中國輸電網可靠性性能管理發展方向
3.1?電力改革的影響
從監管角度分析：全社會對電力系統可靠性需求越來越高［13］；同時隨著全面電力市場化改革的啟動，電力可靠性管理的缺失增加了改革的風險。從企業角度分析，電力市場化改革加劇了成本控制對于企業良性發展的影響。電力企業屬于資產密集型企業，資產利用率的降低迫使電力企業必須開展資產管理。資產管理的重要部分之一就是設備可靠性管理，因此輸電網可靠性管理不僅滿足監管需求，還應該滿足企業內部的管理需求。
3.2?企業資產管理的需求分析
2008年中國電力企業結合自身特點以及國外先進的管理經驗，逐步開展資產全壽命周期管理的工作。目前，國內電力企業的資產全壽命周期是以電力設施為主展開的［13］。開展資產全壽命周期管理的實質是在保障設施運行可靠性的基礎上盡可能降低其全壽命周期成本［14］。因此輸電網可靠性性能管理也是企業資產管理的需求。
3.3?未來需要改進的關鍵問題
鑒于國內可靠性管理現狀以及未來改革的驅動，提出幾個比較緊迫需要改進的關鍵問題：
1）中國可靠性監管職能如何保證可靠性數據的真實性：通過管理職能和管理流程的調整，加強事故追蹤和監管力度，或者通過可靠性立法保證。
2）監管和企業兩個層面管理內容與目標的協調：中國目前力圖實現全電壓等級、全設施的實時可靠性監管，增加了管理難度和管理成本。按照監管全面、突出重點、控制周期的指導思想改進管理設備種類和上報周期，追求有效管理。企業根據全壽命周期的需求，開展無功設備、二次設備、通信信息設備的全資產管理。企業系統可以產生監管中心數據，實現定期數據增量更新。
3）監管部門完善評價體系：結合中國自身電網的特點，逐步開展輸電能力、輸電服務能力以及電力系統可靠性的評價，深入研究指標體系完善性以及各指標的指向性、可測性以及一致性，逐步建立風險評價體系。
4）電力企業可靠性閉環管理：首先建立企業面向全壽命周期資產管理的信息支撐體系，從設備招投標開始進入管理檔案，設備管理貫穿修護、檢修、故障等各個運行過程，并實現與財務等數據的關聯；而后開展輸電網設備故障信息的深度挖掘，提供企業全壽命周期管理的必要數據；最終通過分析提出可靠性提升手段。
4結語
【國內外輸電網可靠性性能管理對比分析】本文分析了中國目前輸電網可靠性性能管理現狀并將其與北美先進管理經驗進行對比，得到國內外輸電網可靠性性能管理差異與效果分析。最后考慮了電力改革以及企業全壽命周期管理的需求，分析了未來輸變電可靠性性能的發展方向，為未來管理體系的調整優化提供參考。